礦用運輸絞車自動排繩裝置的設(shè)計與研究

趙俊波

（潞安集團司馬煤業(yè)有限公司，山西 長治 047105）

礦用運輸絞車是井下主要運輸設(shè)備，絞車鋼絲繩排繩混亂，堆繩、咬繩時常發(fā)生，使得絞車沖擊大，對鋼絲繩產(chǎn)生塑性形變，容易發(fā)生斷繩事故。本文針對司馬煤礦1211工作面采用的SDJ-20絞車，對鋼絲繩運動狀態(tài)進行了分析，設(shè)計了絞車電磁離合式自動排繩裝置，對其工作原理和組件選型進行了分析，實現(xiàn)礦用絞車鋼絲繩的自動排列。

1 滾筒鋼絲繩自動排繩分析

1.1 鋼絲繩螺旋運動

鋼絲繩繞滾筒運行過程中，滾筒寬度有限，使得鋼絲繩需要在滾筒纏繞多層，采用螺旋運動方式纏繞可使其均勻排列，這種排列方式要求鋼絲繩纏繞方向與滾筒存在一定角度，此傾角對于鋼絲繩排列情況影響較大。

1.2 滾筒鋼絲繩運動分析

根據(jù)絞車軌跡，滾筒上鋼絲繩為螺旋線形狀軌跡，將一段滾筒鋼絲繩展開后獲得螺旋三角形如圖1所示。鋼絲繩運行過程中軸向分量和徑向分量符合此三角形規(guī)律。鋼絲繩徑向分量應(yīng)超過層摩擦張力、驅(qū)動力和彎曲力總和。鋼絲繩工作時入繩角度會不穩(wěn)定，只有符合三角形規(guī)律時合力垂直母線，才能避免擠壓、堆繩情況的發(fā)生。所以可人工對鋼絲繩施加力矩，使鋼絲繩滿足三角形規(guī)律，每纏繞一圈后排繩裝置軸向平移一定距離維持排列的均勻程度。

圖1 鋼絲繩展開的螺旋線三角形

鋼絲繩運動過程中螺旋升角可通過公式計算，速度和張緊力滿足三角形規(guī)則，表達式如下：

式中：

d-鋼絲繩直徑；

Dn-滾筒纏繞半徑；

Vr-鋼絲繩速度徑向分量；

VL-鋼絲繩速度軸向分量；

Fr-鋼絲繩受張力的徑向分量；

FL-鋼絲繩受張力的軸向分量。

2 自動排繩設(shè)計

機械式排繩裝置是利用專用機構(gòu)使鋼絲繩每繞一圈橫移一步，排滿后反向橫移。常用機械式排繩包括凸輪、絲杠和液壓排繩機構(gòu)。凸輪排繩機構(gòu)通過凸輪帶動夾繩裝置往復(fù)運動，其成本較低，但磨損精度不容易控制，使得排繩效果降低；絲杠排繩機構(gòu)利用雙向絲杠實現(xiàn)排繩，排繩效果好，但對組件加工精度要求高；液壓排繩機構(gòu)是控制比例閥開度來實現(xiàn)鋼絲繩排列，系統(tǒng)體積大，應(yīng)用不便。三種傳統(tǒng)排繩裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

基于傳統(tǒng)排繩機構(gòu)的缺點，本文提出了新型電磁離合器式排繩機構(gòu)，綜合機械電氣等優(yōu)點實現(xiàn)平穩(wěn)排繩控制。將夾繩機構(gòu)與鋼絲繩卷筒水平，鋼絲經(jīng)過夾繩機構(gòu)后纏入滾筒，拉緊了鋼絲繩從而減小了鋼絲繩上摩損。通過控制齒輪機構(gòu)傳動比來保證鋼絲繩橫移距離，電磁離合器用于控制左右換向。

2.1 自動排繩原理

此自動排繩裝置組件包括夾繩器、絲杠、導(dǎo)軌、電磁離合器和減速器等，其工作原理如圖3所示。夾繩裝置裝在絲杠上，轉(zhuǎn)動絲杠依靠電磁離合器連接減速齒輪，進而實現(xiàn)與滾筒齒輪的連接，絲杠兩端設(shè)計限位開關(guān)。滾筒轉(zhuǎn)動后，齒輪負責(zé)傳遞轉(zhuǎn)矩，左右電磁離合器負責(zé)接通給絲杠，假如左側(cè)離合器結(jié)合右側(cè)分離，那么左側(cè)轉(zhuǎn)矩傳給絲杠使絲杠轉(zhuǎn)動，夾繩機構(gòu)向右水平移動，到達右側(cè)后限位開關(guān)結(jié)合右側(cè)離合器并分離左側(cè)離合器，實現(xiàn)夾繩裝置的反向平移。

夾緊裝置的水平換向是依靠電磁離合器得、失電實現(xiàn)，換向原理如圖4所示。限位開關(guān)4被按下，K2觸點閉合，使得電磁離合器5結(jié)合，螺桿連接齒輪轉(zhuǎn)矩，排繩滑輪右移，到達右端后觸發(fā)限位板3，使換向?qū)U2向右移動，限位開關(guān)K1觸點結(jié)合，4開關(guān)被抽出，K2分離，斷開電磁離合器5，接通電磁離合器9，螺桿實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，使排繩裝置返回左端，由此完成了換向。

圖3 自動排繩裝置工作原理

2.2 排繩系統(tǒng)部件選型

（1）電磁離合器選型

電磁離合器選型應(yīng)計算動態(tài)轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩，動態(tài)轉(zhuǎn)矩可根據(jù)其加速和減速的時間以及制動部分轉(zhuǎn)動慣量來確定，計算公式為：

式中：

t-機械連接時間；

t1-轉(zhuǎn)矩增大的時間；

J-制動部分轉(zhuǎn)動慣量；

n-旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速。

負載轉(zhuǎn)矩是從動側(cè)轉(zhuǎn)矩，通過測量計算求得，可用旋轉(zhuǎn)力與力臂乘積計算出。額定轉(zhuǎn)矩的計算應(yīng)考慮安全系數(shù)，一般安全系數(shù)大于2。通過計算絲杠與夾繩機構(gòu)摩擦力、鋼絲繩壓力，根據(jù)電磁離合器額定轉(zhuǎn)矩，最終本文選取DLY0-16/16A牙嵌式離合器。

圖4 夾繩裝置換向原理

（2）限位開關(guān)選型

根據(jù)本文研究的絞車工作環(huán)境及要求，選取AL-DB206BD00型保持型重載限位開關(guān)，可實現(xiàn)體積小、可靠度高、耐沖擊等性能要求。

綜合選型后將此自動排繩裝置進行試驗對比，通過實地應(yīng)用，結(jié)果顯示此排繩裝置能夠整齊將鋼絲繩排列，亂繩現(xiàn)象明顯降低，保護了鋼絲繩的使用。

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)礦用運輸絞車工作過程中鋼絲繩容易出現(xiàn)堆繩、混亂等問題，對滾筒運行過程進行了分析，設(shè)計完成了新型自動排繩裝置，現(xiàn)場應(yīng)用表明自動排繩裝置解決了運輸絞車排繩亂、堆繩、咬繩問題，降低了鋼絲繩的損失率，提高了礦井運輸安全程度，提高了煤礦生產(chǎn)可靠水平。